“極端光學創新團隊”在《物理評論快報》發表強激光場下原子隧道電離研究新進展

量子遂穿是量子力學基本問題之一，通過對量子隧穿電流的測量，可以實現原子尺度的表面成像，是隧道掃描顯微鏡的基本原理。但如何描述和測量電子在勢壘下動力學行為一直未得到深入研究，在原子波函數層次上，開展量子遂穿的實驗研究一直是比較困難的。在飛秒強激光和原子分子相互作用的過程中，激光場會将原子内部的庫倫場壓低，形成了處于基态電子可以發生隧穿的勢壘，,即隧道電離。自前蘇聯科學家L.V. Keldysh首次理論上研究以來，一直備受關注，因為隧道電離是強場原子分子光物理以及阿秒物理的重要基石。然而目前的實驗和理論一般都隻關注于電子隧穿幾率,以及電子波包的振幅信息，完全忽略其初始相位，主要是勢壘下相位（sub-barrier phase）。勢壘下相位攜帶着光電子豐富的隧穿動力學信息，卻至今仍然未被觀測到。

beat365官方网站、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室“極端光學創新研究團隊”的劉運全教授和龔旗煌院士等，針對強激光場作用下原子的遂穿過程開展深入研究，利用等強度的偏振正交的雙色飛秒光場（800nm + 400nm），深入研究遂穿電子幹涉的幹涉動力學，提出了利用新型的“時空電子幹涉儀”（圖 1），探測電子在遂穿過程中獲得勢壘下相位，揭示電子隧穿的動力學信息。該工作利用先進的冷靶反沖離子電子動量成像譜儀（所謂COLTRIMS），清晰地測量了正交雙色光場下的光子周期内幹涉圖案（圖2）。通過與理論模拟的對比 [強場近似（SFA）,庫侖修正的強場近似(CCSFA)和數值求解含時薛定谔方程（TDSE）]，揭示出了光電子勢壘下相位的對幹涉圖案的貢獻。研究結果表明勢壘下相位蘊藏着的電子隧穿動力學信息，對光電子幹涉和光電子全息起着不可或缺的作用。該研究工作發表在近期《物理評論快報》上（“Revealing the sub-barrier phase using a spatiotemporal interferometer with orthogonal two-color laser fields of comparable intensity, Phys. Rev. Lett. 119, 073201(2017）。

二年級博士生韓猛同學是該論文第一作者。該工作得到中國國家自然科學基金委、科技部、beat365人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、“2011計劃”量子物質科學協同創新中心等支持。